談壓力容器測厚值異常的原因

邢國強(qiáng) 張廣興

作者通聯(lián)：河北省電力研究院 河北石家莊市 050021

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容器壁厚在使用一定年限以后必然會減薄，當(dāng)壁厚減薄到一定程度時，就會給安全生產(chǎn)造成威脅。如果是盛裝易燃、易爆或者是有毒介質(zhì)的壓力容器，其危害性就更大。因此，厚度測量是在用壓力容器檢驗中最常見的檢測項目。

超聲波測厚儀是最常用的厚度測量儀器，其示值是判斷壓力容器壁厚腐蝕狀態(tài)的主要依據(jù)。在實際檢驗中，厚度測量值波動較大，經(jīng)常出現(xiàn)異常值，造成錯誤的結(jié)論和處理。所以，測厚異常值的判斷及處理，對在用壓力容器使用狀況的正確診斷意義重大。

一、超聲測厚值異常顯示現(xiàn)象

（1）一次對某電廠低壓加熱器安裝前的測厚檢驗中，發(fā)現(xiàn)一個筒體短節(jié)有大面積厚度減薄現(xiàn)象。該容器壁厚設(shè)計值為30mm，但絕大多數(shù)測點(diǎn)示值為14～15mm。由于該容器還未投入運(yùn)行，排除了腐蝕和沖刷等因素，用雙晶片探頭進(jìn)行了超聲波探傷復(fù)核，未發(fā)現(xiàn)有較大面積夾層的存在。

（2）某電廠A級檢修對低壓加熱器進(jìn)行壁厚檢驗時，發(fā)現(xiàn)容器氣室封頭有一面積為500mm×300mm的厚度減薄區(qū)。該容器的設(shè)計厚度為12mm，實測最小壁厚3.45mm，小于最小理論計算壁厚，不能滿足該容器的安全運(yùn)行要求。用雙晶片探頭進(jìn)行超聲波探傷復(fù)核，確定該處壁厚確實減薄。割開封頭（圖1）進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)減薄處內(nèi)壁平滑均勻，經(jīng)查閱圖紙知，該封頭壁厚減薄區(qū)正對疏水口，減薄為長時間疏水沖刷所致。

圖1 汽室封頭沿壁厚剖開照片

（3）在對某電廠除氧頭進(jìn)行測厚檢驗時，發(fā)現(xiàn)容器壁厚普遍小于設(shè)計壁厚值。容器的設(shè)計厚度為30mm，而測點(diǎn)示值均為20mm左右。查看資料后發(fā)現(xiàn)，該容器為復(fù)合材料制作，由于聲波在不同材料中的傳播速度不一樣，從而對測厚示值產(chǎn)生了影響。

二、測厚示值異常原因分析

超聲測厚的工作原理是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。

容器中的宏觀、微觀缺陷一旦達(dá)到一定面積（尺寸），足以使反射信號被儀器接受并顯示時，就會反映出缺陷所在部位的厚度（深度）。由于超聲波在傳播過程中路徑發(fā)生變化，如折射或產(chǎn)生波形變換，有時就會產(chǎn)生“增值”或其他變化，從而引起失真。因此，在排除因儀器本身、探頭和工件表面接觸以及使用操作等因素的影響外，示值異常的直接原因就是被測工件本身了。

（1）材料傳播聲速的不同會產(chǎn)生不同的結(jié)果。聲波在不同的材料中傳播速度是不一樣的，根據(jù)超聲波測厚原理可知，其顯示的結(jié)果必然不一樣。因此，在測量前一定要查清被測物是哪種材料，從而選擇合適的聲速進(jìn)行測量。

（2）晶粒各向異性對聲波傳播的影響。正常結(jié)晶狀態(tài)下，金屬材料具有統(tǒng)計性的各向同性。由于結(jié)晶時的條件不同，也有可能使結(jié)晶方向有序和定向，或在壓延拉伸時使晶粒變形，從而使聲波的傳播速度、路徑及方向發(fā)生變化，產(chǎn)生散射、折射、繞射及波形轉(zhuǎn)換等，這些變化被儀器接收并放大，即產(chǎn)生示值的變化和異常顯示。

（3）材料中的夾雜物對超聲波傳播的影響。被測材料中的夾雜物、非金屬也會使聲波傳播路徑、方向和速度發(fā)生變化。如硫化物、氮化物或其他類型夾渣等，這些夾雜物在鋼材軋制時被碾平，極易使聲波產(chǎn)生反射和折射，從而使測厚示值發(fā)生變化。

（4）鑄件、奧氏體鋼因組織不均勻或晶粒粗大，超聲波在其中穿過時產(chǎn)生嚴(yán)重的散射衰減，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播，有可能使回波淹沒，造成不顯示或異常顯示。因此，可選用頻率較低的粗晶專用探頭（2.5MHz）。

（5）金屬表面氧化物或油漆覆蓋層的影響。金屬表面產(chǎn)生的致密氧化物或油漆防腐層，雖與基體材料結(jié)合緊密，無明顯界面，但聲速在兩種物質(zhì)中的傳播速度是不同的，從而造成誤差，且隨覆蓋物厚度不同，誤差大小也不同。

（6）溫度的影響。一般固體材料中的聲速隨其溫度升高而降低，有試驗數(shù)據(jù)表明，熱態(tài)材料每增加100℃，聲速下降1%。對于高溫在役設(shè)備常常碰到這種情況。

（7）層疊材料、復(fù)合（非均質(zhì)）材料。要測量未經(jīng)耦合的層疊材料是不可能的，因超聲波無法穿透未經(jīng)耦合的空間，而且不能在復(fù)合（非均質(zhì)）材料中勻速傳播。對于由復(fù)合材料包扎制成的設(shè)備（如除氧頭），測厚時要特別注意，測厚儀的示值僅表示與探頭接觸的那層材料厚度。

（8）被測壓力容器內(nèi)有沉積物，當(dāng)沉積物與容器聲阻抗相差不大時，測厚儀顯示值為壁厚加沉積物厚度。

（9）材料合金成分的偏析對超聲波性能的影響。液態(tài)金屬結(jié)晶時所產(chǎn)生的化學(xué)成分和非金屬夾雜物的不均勻現(xiàn)象統(tǒng)稱為偏析，如區(qū)域偏析、晶內(nèi)偏析等。而所有偏析均會使聲波在材料中的傳播發(fā)生變化，從而使測厚示值發(fā)生變化。

（10）耦合劑的影響。耦合劑是用來排除探頭和被測物體之間的空氣，使超聲波能有效地穿入工件達(dá)到檢測目的。如果選擇種類或使用方法不當(dāng)，將造成誤差或耦合標(biāo)志閃爍，無法測量。應(yīng)根據(jù)使用情況選擇合適的種類，當(dāng)使用在光滑材料表面時，可以使用低黏度的耦合劑；當(dāng)使用在粗糙表面、垂直表面及頂表面時，應(yīng)使用黏度高的耦合劑。高溫工件應(yīng)選用高溫耦合劑。其次，耦合劑應(yīng)適量使用，涂抹均勻，一般應(yīng)將耦合劑涂在被測材料的表面，但當(dāng)測量溫度較高時，耦合劑應(yīng)涂在探頭上。

（11）工件內(nèi)部有氫腐蝕。在測定臨氫介質(zhì)的壓力容器壁厚時，如果發(fā)現(xiàn)壁厚“增值”，應(yīng)考慮氫腐蝕的可能性。氫腐蝕是指高溫下氫和鋼中的滲碳體發(fā)生還原反應(yīng)生成甲烷而導(dǎo)致沿晶界的腐蝕。甲烷的形成使晶界產(chǎn)生大量的微裂紋，并相應(yīng)地有明顯的脫碳，使超聲波的衰減、聲速受到影響，晶粒與晶粒間的縫隙會迫使超聲波的傳播路線改變、聲程加大，從而使測厚儀上的顯示值大于實際厚度。

（12）被測物背面有大量腐蝕坑。由于被測物另一面有銹斑、腐蝕凹坑，造成聲波衰減，導(dǎo)致讀數(shù)無規(guī)則變化，在極端情況下甚至無讀數(shù)。因此應(yīng)增加測點(diǎn)數(shù)量或者觀察被測物背面的腐蝕狀況。

（13）測厚儀性能對超聲波在某些材料中傳播的影響。當(dāng)測厚儀的靈敏度較高或探測頻率較高時，內(nèi)應(yīng)力較大、冷變形硬化及未經(jīng)回火的淬火鋼，都會引起超聲波的異常反射，影響示值。這類似于超聲波探傷時的簇射波、鱗狀波、應(yīng)力波等。

（14）某些缺陷對超聲波傳播的影響。材料中的其他缺陷，如微裂、疏松等，也會產(chǎn)生超聲波的異常反射或波形轉(zhuǎn)換，影響聲波的傳播。

以上分析只是超聲波測厚中引起異常顯示原因的粗淺分析。在實際檢驗中，情況千變?nèi)f化，聲波在介質(zhì)中的傳播理論也比較復(fù)雜。只有結(jié)合實際情況分析原因，才能得到正確可靠的測厚數(shù)據(jù)。